高精度探究磁感应强度的教具制作

李 航

(贵州省凯里市第一中学,贵州 凯里 556000)

1 课本中的演示仪器

图1 演示仪器示意图

课本中的演示实验如图1所示,该实验包含马蹄形磁铁,电源与直导线,当直导线通电后会受到安培力作用后会摆动一个角度,以此来判断安培力的大小和方向.

该实验在操作过程中存在的困难:(1) 通电导线在磁场中所受的力(安培力)的变化很小,传统摆动角度的方法很难进行准确的定量测量.(2) 无法实现磁感应强度与电流方向夹角对安培力影响的定量研究,即无法验证F=ILBsinθ.

2 自制高精度探究磁感应强度的教具

制作的高精度探究磁感应强度演示仪器的结构图如图2所示.其中由于电子秤托盘是金属制品,所以把托盘替换成了木块,木块上在固定多匝线圈,方便电子秤测其受力．其电路图中的电源来源于手机充电器部件改装,体积小方便携带．

图2 高精度探究磁感应强度演示仪结构图

2.1 探究磁感应强度定义式

(1) 探究安培力与电流大小之间的关系.

实验操作:首先是保持匝数不变,之后接通电源打开仪器开关,调零实验器材,然后在固定线圈匝数下调节变阻器,使得电路电流改变,记录安培力大小与电流大小.表1是匝数为130匝时所记录的安培力大小与电流大小的数据表,而图3是数据表线性拟合得到的F-I图像.

实验结论:总结出电流大小、安培力大小的成正相关关系,此处教师需要指导学生分析Excel表格中的数据与图像,通过分析公式极小截距与过原点附近的拟合直线,在误差范围内得出安培力大小与电流大小的正比关系,即F∝I.

表1 安培力F与电流I数据统计表

(2) 探究安培力与线圈匝数(有效长度)之间的关系.

匝数转换旋钮:通过旋钮可调节多匝线圈通电匝数,一共可以实现50、90、130、170有4种匝数,以正方形线框单边长为L,则受力边有效长度分别是50L、90L、130L、170L.

实验操作:安培力由电子秤转换成压力精确测出.变阻器与恒压电源能保证不同匝数时电流大小的一致性.接通电源,仪器调零,保持电流大小为0.18A,得出不同匝数下对应的安培力大小,表2与图4分别是得出的数据及其图像.

表2 安培力F与导线长nL数据统计表

图4 安培力F与导线长nL数据统计图

实验结论:分析数据得安培力大小与有效长度成正比,即F∝L.时间允许可以采取多次测量(5组数据以上)的方法,使得拟合图像误差更小.

(3) 规律与优点.

优点:由于实验电路图就画在了实验器材面板上,方便教师讲解电路原理.匀强磁场是由两块矩形强磁铁等间距放置近似形成,且已经标明了南北极,能明确磁场的方向.此实验操作简单,电子秤所显示的即是安培力F,且电子秤的精度是0.01g,电流表示数精度也是0.01A,这样高精度的实验定量数据让探究的过程可信度很高,加上数据并输入到Excel表格生成图像,这有利于学生培养实验核心素养来解决实际问题.

2.2 验证磁感应强度与电流方向之间的关系

(1) 推导公式F=ILBsinθ.

构建模型:当磁感应强度B的方向与导线方向成θ角度,我们可以把它分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥.

推导过程:磁感应强度分解,得到B⊥=Bsinθ与B∥=Bcosθ,其中B∥不产生安培力,导线所受到的只有B⊥作用下的安培力,因此得到F=ILBsinθ,这是一般情况下的安培力的表达式.[2]

(2) 实验验证:F=ILBsinθ.

图5 改变角度结构图

实验操作:打开实验仪器电源,对电流与电子秤进行调零,把指针调整到指针指向0度夹角未知,然后选择一固定匝数,调节变阻器确定一固定电流大小,然后记录电子秤的示数.随后通过如图5所示的角度转盘改变磁场的方向,实现测量任意角度对应的安培力大小,所观察到的数据如表3所示(以130匝,电流大小为0.18 A得出的数据).

表3 数据F-θ记录表

实验结论:通过数据记录表与Excel表生成的F与θ的图像，可以发现安培力有从正值到负值的变化.将实验拟合图像与理论正弦值图像进行对比,得到如图6所示图像,可以发现在误差范围内两组数据吻合得很好,从而可以验证F=ILBsinθ的正确性.

图6 安培力F与角度θ数据统计图

优点:角度转盘上的磁铁可任意旋转,指针可以指向任何角度方向,操作十分方便,现象直观.此实验也可进行安培力方向的探究,即左手定则的规律的使用.

3 实验评估

选修3-1第3章第2节磁感应强度的大小与第4节安培力大小的教学过程应用了自制的高精度实验设备,与传统实验相比,该仪器主要优势是把课本中的定性与理论推导变成了可定量的数据,这能大大地增强电磁学规律的可信度.

3.1 创新点

本实验仪器在教学中有5点创新.(1) 本实验自制多匝线圈,利用叠加原理得有效长度,克服了传统实验有效长度变化不明显的缺点;(2) 电子秤巧妙测安培力,克服了传统实验安培力变化很小难以准确定量测量的难点;(3) 自制变阻器调节电阻精确快速,满足电流大小的高精度控制,克服了传统教学中滑动变阻器调节精度不够与变阻箱通电不可调的困难;(4) 数字化表可视化强,Excel图像能够很直观发现物理规律,这些定量做出的图像能优化数据使学生记忆深刻,[3]提升学生物理直觉;(5) 自制仪器架方便教师展示携带,实验电路图就画在仪器上,方便解读原理电路图,仪器两侧合拢即可搬运,无需组装,随走随用.

3.2 不足

在本课的教学实践中发现仪器的主要缺陷是对平台的水平要求较高,由于线圈本身的自感现象会使得仪器在断通电时电流大小会有短暂波动,这些都会对读数产生误差.对于高精度的这个实验,在实验原理上是无能为力.不过这可以在每组数据开始前检查调零,等数据稳定了再记录数据,只是在课堂上这样会稍加长实验教学时间.